軟弱層帶工程特性

1、龍羊峽電站,,,,軟弱層帶工程特性,,2002.11.8,軟弱層帶的強度評價及參數(shù)取值,1 ．軟弱層帶的定義,軟硬相間的層狀巖石中的層間剪切帶和斷層共同構(gòu)成的強度和變形參數(shù)低值帶，物理力學(xué)性質(zhì)相對較低的層帶,一、二、三、四、五、六,一 軟弱層帶,2002.11.8,軟弱層帶的強度評價及參數(shù)取值,2．研究意義,軟弱層帶、斷層、沉積巖和副變質(zhì)巖中的泥質(zhì)夾層或薄層是工程巖體穩(wěn)定性的控制性弱面，是水電工程大壩、隧洞、邊坡、礦山等工程地質(zhì)研究的

2、重點，是引起地質(zhì)災(zāi)害的主要邊界。歷來為工程地質(zhì)的重要研究領(lǐng)域。從軟弱層帶受上覆巖體的重量和構(gòu)造應(yīng)力—地應(yīng)力的作用來研究工程特性，是一個重要方面。,一 軟弱層帶,2002.11.8,軟弱層帶的強度評價及參數(shù)取值,1．分 析,自50年代N. Hast開展地殼巖體應(yīng)力測量以來。Hast獲得的2萬個數(shù)據(jù)及各國的大量應(yīng)力測試成果表明，地殼巖體的三向應(yīng)力基本上都是以壓應(yīng)力方式存在的，由彈性力學(xué)可以知道，任意斜截面上的正應(yīng)力：由于 、

3、、 為正，或壓應(yīng)力，三個方向余弦均為正值，所以處于巖體中的任一斜截面上的正應(yīng)力該為壓應(yīng)力。即巖體中任一切割的軟弱層帶的面上在一般情況下均受到壓應(yīng)力的作用，我們稱之為天然圍壓，或簡稱圍壓。而大部分的應(yīng)力測試資料表明，多在數(shù)Mpa-數(shù)10MPa，則?N多在數(shù)MPa左右。即軟弱層帶層上有較高或高的圍壓存在。,,,一、二、三、四、五、六,二、軟弱層帶的賦存環(huán)境,,,,,,,2002.11.8,軟弱層帶的強度評價及參數(shù)取值,2 ．實 例,

4、為說明這一問題，以實例說明弱面上的正應(yīng)力,,二、軟弱層帶的賦存環(huán)境,2002.11.8,軟弱層帶的強度評價及參數(shù)取值,1．土的壓縮問題與夾層泥化問題,飽水土體在受壓后，發(fā)生壓密，干密度逐漸增高?？紫侗冉档?，含水量也降低。在經(jīng)過加荷、卸荷以后，土的兩條曲線就很接近 。,,,一、二、三、四、五、六,三、軟弱層帶泥化的可能性分析,2002.11.8,軟弱層帶的強度評價及參數(shù)取值,2．地應(yīng)力場下夾泥的物理特性,各種夾泥，在它們形成后，至少要經(jīng)歷

5、數(shù)萬年的地殼應(yīng)力場的脈動式變化的影響，它們的e，?d變化，也應(yīng)該符合土體的多次卸荷加荷曲線，即e—P，應(yīng)基本滿足其對數(shù)方程。,三、軟弱層帶泥化的可能性分析,2002.11.8,軟弱層帶的強度評價及參數(shù)取值,3．夾泥室內(nèi)高壓試驗分析,為了解夾尼在地應(yīng)力場中的物理狀態(tài)，我們通過幾組高壓試驗，可以看出夾泥e—P的關(guān)系，為對數(shù)關(guān)系，且有高的相關(guān)性及各自的相關(guān)方程：灰色夾泥，蒙脫石含量65% e=0.9731-0.32lgPr=0.99

6、7紅色夾泥，蒙脫石25% e=0.5467-0.1356lgP r=0.996白色夾泥，蒙脫石90% e=1.212-0.2576lgP r=0.932 這說明：只要有一定的正應(yīng)力存在，夾泥就應(yīng)該有一個與之對應(yīng)的孔隙比存在。在天然情況下，只要夾泥有一定的圍壓存在，夾泥就會以其相應(yīng)的狀態(tài)特性—也即物理指標(biāo)相對應(yīng)。如果一部分應(yīng)力降低或改變，夾

7、泥泥化，應(yīng)力就將轉(zhuǎn)移到其它地方，更高密度的夾泥就會出現(xiàn)，與此同時，出現(xiàn)空間或應(yīng)力稍低的部位，在上部巖體的應(yīng)力作用下，巖體就會發(fā)生蠕變而下沉，對于這些空間，將會以萬年計的流變而再次接觸、壓密，重新固結(jié)。今天我們在深部情況下看到的斷層破碎帶或夾泥帶相互擠壓緊密就是這種作用所致。,三、軟弱層帶泥化的可能性分析,2002.11.8,軟弱層帶的強度評價及參數(shù)取值,4．深部圍壓下夾泥的物理性狀,根據(jù)巖體的卸荷松弛及現(xiàn)代地應(yīng)力的分布特點，對于工程巖體

8、，應(yīng)力降低明顯的部位是強風(fēng)化帶和弱風(fēng)化上限的巖帶內(nèi)，進入弱風(fēng)化下限—微風(fēng)化、新鮮巖體后，地應(yīng)力將穩(wěn)定在一定的規(guī)律上，對于工程巖體，將穩(wěn)定在某一水平上。我們將地應(yīng)力不受強烈卸荷影響的弱?巖體，稱深部圍壓下的巖體，夾于這些巖帶中夾泥的性狀，我們叫深部圍壓下的狀態(tài)。 按照這一情況，我們在國內(nèi)龍羊峽、李家峽、安康、銅亍子、公伯峽等大型工程場址獲取了上千組的夾泥試樣，所有的夾泥含水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于WP，都有很高的干密度，沒有一例是泥化

9、的。這些夾泥良好狀態(tài)得以保存的原因：① 夾泥在歷史上形成高密度。必須滿足?n，不滿足就要壓密，而且時間比室內(nèi)固結(jié)要長的多。② 當(dāng)夾泥位于地下水位以下被飽水時，由于圍壓的存在，只要其膨脹力不超過正應(yīng)力，其體積就不會改變，即孔隙比不變，此時飽水，水只能充滿孔隙。即夾泥在正常載荷下滿足其塑性松弛規(guī)律。,三、軟弱層帶泥化的可能性分析,2002.11.8,軟弱層帶的強度評價及參數(shù)取值,5．夾泥泥化的可能性分析,假定夾泥飽水之后孔隙全部充水，

10、此時Sr=100%，即Sr=1.0，而 當(dāng) ， 泥化臨界孔隙比，由于夾泥的比重或顆粒密度一般在2.72左右，可視為一常數(shù)，這樣我們就可以算出其泥化的臨介孔隙比，同時代入e—P相關(guān)方程，可以獲得臨界圍壓。下面以一組數(shù)據(jù)來說明。,,,,從表中可以看出對于這樣數(shù)量級的圍壓，位于微風(fēng)化巖體中的斷層帶上或夾泥上的圍壓，都能滿足。而且大大超過?nkp。也超過其膨脹力，所以夾

11、泥即或飽水也不會泥化。即W≯Wp。所以在深部圍壓下夾泥是根本不會泥化的。只有在圍壓很低的情況下夾泥才會泥化。,三、軟弱層帶泥化的可能性分析,2002.11.8,軟弱層帶的強度評價及參數(shù)取值,1．泥化大量出現(xiàn)的原因,僅看到表面現(xiàn)像，未看到環(huán)境下的性態(tài)、性狀僅看到水，未看到圍壓僅看到破壞，沒有看到再生--人為的錯誤 當(dāng)前夾泥取樣：通過洞室開挖取得，洞子開挖后，松弛，解除圍壓吸水，含水量迅速增高。而人們偏要取這樣的樣品。

12、從一組例子我們可以看出：純粹是人為原因。,四、當(dāng)前泥化大量出現(xiàn)的原因,2002.11.8,軟弱層帶的強度評價及參數(shù)取值,2．小 結(jié),為研究地應(yīng)力松弛、釋放的影響，現(xiàn)場作了夾層的松弛試驗，發(fā)現(xiàn)獲得參數(shù)的平洞因應(yīng)力松弛對泥質(zhì)物狀態(tài)的影響很大：,因此，只有考慮了應(yīng)力環(huán)境的狀態(tài)才是真正的狀態(tài)，從而為解決軟弱層帶的強度參數(shù)取值跨出了一步。,四、當(dāng)前泥化大量出現(xiàn)的原因,李家峽電站,2002.11.8,軟弱層帶的強度評價及參數(shù)取值,1．定

13、義,強度，由于有泥，顯然夾泥的強度就是軟弱層帶的強度。,五、軟弱夾層強度評價,2002.11.8,軟弱層帶的強度評價及參數(shù)取值,1．影響強度的因素,1）粘粒含量：粘粒含量對C、φ值的影響：當(dāng)含量15%~ 40% ，粗顆粒還不被全包圍，有降低不是很明顯。當(dāng)40%~60%，粘?；景鼑w粒，C、φ降低明顯。當(dāng)>60%，已包圍，又不明顯了。這個問題，可以繼續(xù)深入研究。2）γd、干密度 ：低→飽水—孔隙水包圍顆粒，連結(jié)力為水膠聯(lián)結(jié)，C、

14、φ低。高→顆間個別接觸→大部接觸—水膠聯(lián)結(jié)→離子化學(xué)力，C、φ增高。而對于不同粘土礦物類型是不同的。蒙脫石含量高，如取f=0.3，低蒙脫石γd=1.88，中蒙脫石γd=1.55，高蒙脫石γd=1.43，其相關(guān)性，只對一種夾泥適宜，普通的無相關(guān)性。,五、軟弱夾層強度評價,2002.11.8,軟弱層帶的強度評價及參數(shù)取值,1．影響強度的因素,3）含水量：高含水量——C、φ低；含水量低→C、φ高，與上一致。而不同粘土礦物了是不一樣的。如果取W

15、=20%：伊利石f=0.1~0.2。65%蒙脫石余為伊利石f=0.47~0.590%蒙脫石：=0.56~0.6。W—f的相關(guān)性，只對一種有相關(guān)性，普遍無相關(guān)性。4）粘土礦物：粘土礦物三大類：伊、高、蒙。通過Wp可以反映出來 Wp=0.253K+10 Wp—塑限含水量 K—蒙脫石含量的百分?jǐn)?shù)蒙脫石進入泥化的最低含量水量Wp，相當(dāng)于伊利石的液限含水量。即在蒙脫石還是固態(tài)時，以伊利石為主的夾泥已進入液態(tài)，顯然蒙脫石C、φ高；

16、干密度：同一干密度，蒙脫石強度高。這說明，蒙脫石礦物對夾泥的強度具有明顯的控制作用，在相同條件，蒙脫石含量高的夾泥，強度高，這和當(dāng)前的普遍看法是不一致，當(dāng)前認(rèn)為蒙脫石夾泥強度低的錯誤看法應(yīng)當(dāng)予以糾正。,五、軟弱夾層強度評價,2002.11.8,軟弱層帶的強度評價及參數(shù)取值,能找到一個因子既能代表夾泥的各項物理指標(biāo)，又能與C、φ值具有相關(guān)性，顯然是評價夾泥強度所必須的。通過各種分析，我們提出稠度相關(guān)因子：Ws/Wp。Ws—飽和含水量：表征

17、含水量，又表征干密度即夾泥的結(jié)構(gòu)，這是因為：e大，W→大，e大，γd→小。當(dāng)Sr=1時，Wp—表征夾泥的粘土礦物組分，蒙脫石含量高Wp，蒙脫石少，Wp小。Ws/Wp=1，夾泥呈固塑臨介狀態(tài)，即泥化臨界狀態(tài)。Ws/Wp>1塑態(tài)泥化 Ws/Wp<1固態(tài)夾泥化。因此Ws/Wp能反應(yīng)：夾泥W，密度、粘土礦物成分，稠度狀態(tài)。可以代表夾泥的各項物理指標(biāo)，應(yīng)當(dāng)與C、φ具相關(guān)性。通過大量的資料，的確是這樣：且具有很高的相關(guān)性。,,2

18、．夾泥強度指標(biāo)與各物性指標(biāo)的相關(guān)性,五、軟弱夾層強度評價,2002.11.8,軟弱層帶的強度評價及參數(shù)取值,（1） 通過研究發(fā)現(xiàn)軟弱層帶的物性代表指標(biāo)孔隙比(e)或干密度(?d)與上覆巖體厚度或地應(yīng)力量值呈現(xiàn)良好的對應(yīng)關(guān)系，證明軟弱層帶的物性受到地應(yīng)力控制。,F120斷層,F26斷層,2．夾泥強度指標(biāo)與各物性指標(biāo)的相關(guān)性,五、軟弱夾層強度評價,2002.11.8,軟弱層帶的強度評價及參數(shù)取值,2．夾泥強度指標(biāo)與各物性指標(biāo)的相關(guān)性,(2)

19、 地應(yīng)力環(huán)境下軟弱層帶強度 用我們自創(chuàng)的取樣方法，取得大量呈固態(tài)的試樣，進行強度試驗，軟弱層帶的強度參數(shù)較以往的試驗方法有了大的提高。,,五、軟弱夾層強度評價,2002.11.8,軟弱層帶的強度評價及參數(shù)取值,2．夾泥強度指標(biāo)與各物性指標(biāo)的相關(guān)性,通過200組試樣獲得： f=0.243-1.34lg(Ws/Wp)有了這個方程，我們在勘察時，只要獲得天然的G、W、γ、Wp、WL；就能確定其C、φ值。特別是由于

20、夾泥很薄1—5mm，最大10mm，極難取剪切樣。我們只需獲得能作容重的原狀樣品，就能確定C、φ，這對于評價確定C、φ值，就很方便，同時可以節(jié)省較多的勘探、試驗費用。,五、軟弱夾層強度評價,2002.11.8,軟弱層帶的強度評價及參數(shù)取值,2．夾泥強度指標(biāo)與各物性指標(biāo)的相關(guān)性,通過試驗和應(yīng)力計算，資料表明：軟弱層帶最關(guān)鍵的工程特性指標(biāo)—摩擦系數(shù) f與上覆巖體厚度H或所受正應(yīng)力σn有良好對應(yīng)關(guān)系。,F120斷層,F18斷層,為今后評價軟弱層

21、帶的強度參數(shù)提供了新的途徑、方法。,五、軟弱夾層強度評價,2002.11.8,軟弱層帶的強度評價及參數(shù)取值,2．夾泥強度指標(biāo)與各物性指標(biāo)的相關(guān)性,(3) 天然滲流場下軟弱層帶的泥化和強度研究分別在蓄水10年的龍羊峽水電站壩下、漢江安康電站河床下部、金沙江向家壩電站地下水位以下、李家峽電站河床下部，用我們的方式進行取樣試驗，泥質(zhì)物狀態(tài)好，強度高，部分成果見下表：,五、軟弱夾層強度評價,2002.11.8,軟弱層帶的強度評價及參數(shù)取值,龍

22、羊峽電站,2002.11.8,軟弱層帶的強度評價及參數(shù)取值,3．軟弱夾層強度評價方法,① 獲取真正圍壓下的樣品，而不是松弛的，吸水的樣品，是決定C、φ的關(guān)鍵，可以用試驗獲得值。② 野外大剪一定要滿足狀態(tài)，獲得強度值。③ 在野外取代表性圍壓下的物理指標(biāo)，代入： f=0.243-1.34*lg(Ws/Wp)④ 通過幾個點的試樣的物理性指標(biāo)。再經(jīng)過仿真試驗，高壓固結(jié)試驗，建立P—e關(guān)系曲線。就能建立整個夾泥物理指標(biāo)的基本方程。e=a

23、+b*lgP,五、軟弱夾層強度評價,2002.11.8,軟弱層帶的強度評價及參數(shù)取值,3．軟弱夾層強度評價方法,⑤ 通過應(yīng)力反演，獲得夾泥面上的不同?n代入P—e方程，我們就能獲得各處的e值，由于G已有，我們就能確定或判斷各處飽水后的Ws，和相應(yīng)的C、φ值。而不用開鑿大量的平洞，鉆孔為獲得樣品而花費大量的資金。⑥ 要改變過去一條斷層或軟弱夾層一個參數(shù)的辦法，對于傾角較大的斷層，?n→大，因此，e→小，f→大。我們可以用中值定理求得整個

24、面上的f值。由于?n與e呈對數(shù)關(guān)系，則f值。對于平緩斷裂可以取一個或二個平均。對于C值：,,,五、軟弱夾層強度評價,2002.11.8,軟弱層帶的強度評價及參數(shù)取值,3．軟弱夾層強度評價方法,⑦ 通過上述評價后，進入初設(shè)、技設(shè)或發(fā)包設(shè)計可以補充適當(dāng)野外大剪予以驗證就可以了。,五、軟弱夾層強度評價,2002.11.8,軟弱層帶的強度評價及參數(shù)取值,1．拉西瓦有較多的斷層,,六、拉西瓦斷層帶強度評價,2002.11.8,軟弱層帶的強

25、度評價及參數(shù)取值,2．現(xiàn)場做有大剪,,,六、拉西瓦斷層帶強度評價,2002.11.8,軟弱層帶的強度評價及參數(shù)取值,3．按規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)值,,,六、拉西瓦斷層帶強度評價,2002.11.8,軟弱層帶的強度評價及參數(shù)取值,4．現(xiàn)場取平緩、陡傾斷層試樣在室內(nèi)高壓下試驗,六、拉西瓦斷層帶強度評價,壩址平緩斷層泥質(zhì)物室內(nèi)高壓試驗成果,2002.11.8,軟弱層帶的強度評價及參數(shù)取值,4．現(xiàn)場取平緩、陡傾斷層得試樣在室內(nèi)高壓下試驗,壩址高角度斷層泥質(zhì)物

26、室內(nèi)高壓試驗成果,六、拉西瓦斷層帶強度評價,2002.11.8,軟弱層帶的強度評價及參數(shù)取值,5．建立泥質(zhì)物孔隙比與壓力關(guān)系,,,,六、拉西瓦斷層帶強度評價,2002.11.8,軟弱層帶的強度評價及參數(shù)取值,6．室內(nèi)開展對應(yīng)的剪切試驗,,,六、拉西瓦斷層帶強度評價,2002.11.8,軟弱層帶的強度評價及參數(shù)取值,7．建立ws／wp－f關(guān)系,,,,,六、拉西瓦斷層帶強度評價,2002.11.8,軟弱層帶的強度評價及參數(shù)取值,9．以面上的